Конструкция трансформаторов: принцип работы, виды и конструкция устройства

Кроме силовых трансформаторов, существуют сигнальные разделительные. Они устанавливаются в электроцепи для гальванической развязки.

Магнитопроводы

Бывают трех видов:

1. Стержневые. Выполнены в виде стержня ступенчатого сечения. Характеристики оставляют желать лучшего, но зато просты в исполнении.
2. Броневые. Лучше стержневых проводят магнитное поле и вдобавок защищают обмотки от механических воздействий. Недостаток: высокая стоимость (требуется много стали).
3. Тороидальные. Наиболее эффективная разновидность: создают однородное сконцентрированное магнитное поле, чем способствуют уменьшению потерь. Трансформаторы с тороидальным магнитопроводом имеют наибольший КПД, но они дороги из-за сложности изготовления.

Мощность

• маломощные: менее 100 ВА;
• средней мощности: несколько сотен ВА;

Существуют установки большой мощности, измеряемой в тысячах ВА.

Трансформаторы отличаются назначением и характеристиками, но принцип действия у них одинаков: переменное магнитное поле, генерируемое одной обмоткой, возбуждает во второй ЭДС, величина которого зависит от числа витков.

Необходимость в преобразовании напряжения возникает очень часто, потому трансформаторы получили самое широкое распространение. Данное устройство можно изготовить самостоятельно.

Принцип действия и конструкция трансформаторов — Студопедия

Рис. 1. Принцип действия однофазного трансформатора

Принцип действия трансформатора [1] основан на явлении электромагнитной индукции (рис. 1). Если одну из обмоток трансформатора подключить к источнику переменного напряжения , то по этой обмотке потечет переменный ток , который создаст в сердечнике переменный магнитный поток . Этот поток сцеплен как с одной, так и с другой обмоткой и, изменяясь, будет индуцировать в них ЭДС и . Так как в общем случае обмотки могут иметь различное число витков , то индуцируемые в них ЭДС будут отличаться по значению. В той обмотке, которая имеет большее число витков, индуцируемая ЭДС будет больше, чем в обмотке, имеющей меньшее число витков. Индуцируемая в первичной обмотке ЭДС примерно равна приложенному напряжению и будет почти полностью его уравновешивать. Ко вторичной обмотке подключаются различные потребители электроэнергии, которые будут являться нагрузкой для трансформатора. В этой обмотке под действием индуцируемой в ней ЭДС возникает ток , а на ее выводах установится напряжение , которые будут отличаться от тока и напряжения первичной обмотки. В этом случае магнитный поток создается токами обеих обмоток.

Трансформатор нельзя включать в сеть постоянного тока, т.к. в этом случае магнитный поток будет неизменным во времени и не будет индуцировать ЭДС в обмотках. Вследствие этого в первичной обмотке будет протекать большой ток, т.к. при отсутствии ЭДС он будет ограничиваться только относительно небольшим активным сопротивлением обмотки, что недопустимо во избежание перегорания обмотки.

Данное устройство чаще всего состоит из двух (а иногда и большего числа) взаимно неподвижных электрически не связанных между собой обмоток, расположенных на ферромагнитном магнитопроводе. Обмотки имеют между собой магнитную связь, осуществляемую переменным магнитным полем. Магнитопровод всегда выполняют ферромагнитным для усиления магнитной связи между обмотками.

Обмотка трансформатора, потребляющая энергию из сети, называется п е р в и ч н о й обмоткой (обмотка 1 на рис. 1), а обмотка, отдающая энергию в сеть, – в т о р и ч н о й (обмотка 2 на рис. 1). Обмотки трансформатора подключаются к сетям с различными напряжениями. Обмотка, предназначенная для присоединения к сети с более высоким напряжением, называется о б м о т к о й в ы с ш е г о н а п р я ж е н и я(ВН), а подсоединяемая к сети с меньшим напряжением – о б м о т к о й н и з ш е г о н а п р я ж е н и я(НН). Если вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется п о н и ж а ю щ и м, а если больше – п о в ы ш а ю щ и м. В зависимости от включения тех или иных обмоток к сети каждый трансформатор может быть как повышающим, так и понижающим.

Трансформаторы с двумя обмотками называются д в у х о б м о т о ч н ы- м и, с тремя – т р е х о б м о т о ч н ы м и. Изготавливаются и многообмоточные трансформаторы, которые имеют несколько первичных или вторичных обмоток. В зависимости от числа фаз трансформаторы подразделяются на о д н о ф а з н ы е, т р е х ф а з н ы е и м н о г о ф а з н ы е.

Наиболее широкое распространение получили трехфазные силовые трансформаторы, предназначенные для передачи и распределения электроэнергии, вырабатываемой на электростанциях. Силовые трансформаторы бывают м а с л я н ы е и с у х и е. В масляных трансформаторах сердечник с обмотками помещают в бак с трансформаторным маслом, которое выполняет одновременно роль электрической изоляции и охлаждающего агента. Однако трансформаторное масло является горючим, в связи с чем при аварии таких трансформаторов существует определенная опасность возникновения пожара. Поэтому в общественных и жилых зданиях, а также в ряде других случаев применяются сухие трансформаторы, охлаждение которых осуществляется воздухом.

М а г н и т о п р о в о д является конструктивной основой трансформатора и служит для проведения основного магнитного потока. Для уменьшения магнитного сопротивления по пути потока, а следовательно, и МДС и тока, необходимых для создания потока, магнитопровод выполняют из специальной электротехнической стали. Так как магнитный поток в трансформаторе изменяется во времени, то для уменьшения потерь от вихревых токов в магнитопроводе он собирается из отдельных электрически изолированных друг от друга листов толщиной 0,35 – 0,5 мм (в зависимости от частоты питающего напряжения). Обычно при частоте питающей сети толщина листов составляет 0,35 мм. Изоляция листов осуществляется чаще всего с помощью лаковой пленки, которая наносится с двух сторон листа.

В магнитопроводе различают стержни и ярма.

С т е р ж е н ь – это та часть магнитопровода, на которой располагаются обмотки.

Я р м о – часть, не несущая обмоток и служащая для замыкания цепи.

В зависимости от взаимного расположения стержней, ярм и обмоток магнитопроводы разделяют на с т е р ж н е в ы е и б р о н е в ы е (рис. 2).

В стержневых магнитопроводах ярма прилегают к торцевым поверхностям обмоток, не охватывая их боковых поверхностей (рис. 2(а)). В броневых магнитопроводах ярма охватывают не только торцевые, но и боковые поверхности обмоток, как бы закрывая их «броней» (рис. 2(б)).

Рис. 2. Однофазный стержневой (а) и броневой (б) трансформатор

В броневом магнитопроводе (рис. 2(б)) имеется один стержень и два ярма, охватывающих обмотки. По каждому ярму замыкается половина магнитного потока стержня, поэтому площадь поперечного сечения каждого ярма будет в 2 раза меньше площади стержня.

Магнитопровод стержневого трансформатора (рис. 2(а)) имеет два стержня, на которых располагаются по половине обмоток 1 и 2. Половины каждой из обмоток соединяются между собой последовательно или параллельно. При таком расположении обмоток уменьшаются потоки рассеяния и улучшаются характеристики трансформатора.

По способу сочленения стержней с ярмами различают трансформаторы сос т ы к о в ы м и (рис. 3)и ш и х т о в а н н ы м и в п е р е п л е т(рис. 4) магнитопроводами.

Рис. 3. Стыковая конструкция магнитопровода однофазного (а)

и трехфазного (б) трансформатора

В первом случае стержни и ярма выполняются и скрепляются раздельно, и при сборке магнитопровода стержни с размещенными на них обмотками устанавливаются встык с ярмами и стягиваются специальными стяжными шпильками. В местах стыка во избежание замыкания листов и возникновения больших вихревых токов, вызывающих увеличение потерь и чрезмерное повышение температуры стали, устанавливаются изоляционные прокладки.

При стыковой конструкции наличие немагнитных зазоров в местах стыков вызывает заметное увеличение магнитного сопротивления сердечника и вследствие этого – увеличение намагничивающего тока. Кроме того, наличие изоляционных прокладок не дает полной гарантии от возможности замыкания листов стали. Поэтому стыковые сердечники применяются редко.

Во втором случае сборка магнитопровода ведется путем чередования листов, т.е. стержни и ярма собираются вместе как цельная конструкция. В результате такой сборки после стяжки ярм прессующими балками и стержней бандажами из стеклоленты получается остов трансформатора, не требующий каких-либо добавочных креплений.

Рис. 4. Укладка листов стали шихтованных магнитопроводов

однофазных (а) и трехфазных (б) трансформаторов

О с т о в о м трансформатора называется магнитопровод вместе со всемиконструкциями и деталями, служащими для скрепления его отдельных частей.

Вследствие резко выраженной анизотропии магнитных свойств холоднокатаной стали улучшение ее характеристик наблюдается только при совпадении линий индукции с направлением проката. При их несовпадении происходит резкое ухудшение характеристик. Поэтому при сборке магнитопровода из этой стали листы штампуются и укладываются так, чтобы поток проходил в них по направлению проката. Если взять листы прямоугольной формы, то в местах, где линии магнитного поля поворачиваются на 90^º, будет наблюдаться увеличение потерь и падения магнитного напряжения, что приведет к ухудшению характеристик трансформатора. Во избежание этого при сборке магнитопровода из холоднокатаной стали применяют косые стыки (рис. 5).

После сборки шихтованного в переплет магнитопровода листы верхнего ярма вынимаются (расшихтовываются), на стержнях размещаются обмотки, после чего ярмо снова зашихтовывается.

Рис. 5. Косые стыки при сборке магнитопровода

Стержни магнитопровода трансформатора в поперечном сечении имеют форму с т у п е н ч а т о й ф и г у р ы или прямоугольника, вписанной в окружность с определенным диаметром (рис. 6(б)). Число ступеней фигуры увеличивается с возрастанием мощности трансформатора. Увеличение числа ступеней увеличивает заполнение площади круга площадью ступенчатой фигуры, но одновременно увеличивает число пластин, необходимых для сборки стержня. В мощных трансформаторах в сечении магнитопровода предусматриваются каналы для его охлаждения.

Рис. 6. Поперечные сечения ярем (а) и стержней (б) трансформаторов

При стержнях, имеющих поперечное сечение, приближающееся к кругу, обмотки будут иметь вид полых цилиндров. При такой конструктивной форме обмотки (по сравнению с прямоугольной) сокращается расход материалов на ее изготовление, увеличивается электрическая и механическая прочность, но усложняется технологический процесс ее изготовления. Прямоугольное сечение стержней применяется иногда в трансформаторах броневого типа и трансформаторах небольшой мощности.

Форма сечения ярма и его сочленение со стержнем выбираются с учетом обеспечения равномерного распределения магнитного потока в сечении сердечника. Равномерность распределения магнитного потока между пакетами можно получить, если ярмо будет иметь число ступеней, равное числу ступеней стержня. Для упрощения технологии изготовления ярм иногда число ступеней у них берут меньше, чем у стержней (рис. 6(а)).

По способу расположения на стержне обмотки трансформаторов подразделяются на к о н ц е н т р и ч е с к и е и ч е р е д у ю щ и е с я (рис. 7).

Концентрические обмотки (рис. 7(а)) выполняются каждая в виде цилиндра и располагаются на стержне концентрически относительно друг друга. Высота обмоток, как правило, делается равной. В высоковольтных трансформаторах ближе к стержню располагается обмотка НН, так как при этом уменьшается изоляционное расстояние между стержнем и этой обмоткой.

В чередующихся обмотках (рис. 7(б)) катушки ВН и НН чередуются вдоль стержня по высоте. Эти обмотки имеют меньшее магнитное рассеяние. Однако, при высоких напряжениях изоляция таких обмоток сложнее из-за большого количества промежутков между катушками ВН и НН.

Рис. 7. Стержень трансформатора с концентрическими (а)

и чередующимися (б) обмотками

Лабораторная работа № 2

Принцип действия и конструкция машин постоянного тока

На рис. 8 представлена простейшая машина постоянного тока (МПТ).

Рис. 8. Простейшая машина постоянного тока

Неподвижная часть машины, называемая и н д у к т о р о м, состоит из п о л ю с о в и круглого стального я р м а, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора является создание в машине основного магнитного потока. Индуктор, изображенный на рис. 1 простейшей машины, имеет два полюса 1.

Вращающаяся часть машины состоит из укрепленных на валу цилиндрического я к о р я 2 и к о л л е к т о р а 3. Якорь состоит из с е р д е ч н и к а, набранного из листов электротехнической стали, и о б м о т к и, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в показанной на рис. 8 простейшей машине имеет один виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум. На коллектор налегают две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

Основной магнитный поток в МПТ создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током. Магнитный поток проходит от северного полюса N через якорь к южному полюсу S и от него через ярмо снова к северному полюсу. Сердечники полюсов и ярмо также изготавливаются из ферромагнитных материалов.

На рис. 9 изображен полюс машины. Сердечники полюсов набираются из листов, выштампованных из электротехнической стали толщиной 0,5-1 мм, а иногда также из листов конструкционной стали толщиной до 2 мм. Так как магнитный поток полюсов в стационарных режимах не изменяется, то листы друг от друга обычно не изолируются.

Сердечник полюса стягивается шпильками, концы которых расклепываются. Нижняя, уширенная часть сердечника называется п о л ю с н ы м н а к о н е ч н и к о м или б а ш м а к о м. Расположенная на полюсе обмотка часто разбивается на 2-4 катушки для лучшего ее охлаждения.

Рис. 9. Главный полюс МПТ

Для улучшения условий токосъема с коллектора в машинах мощностью более 0,5 кВт между главными полюсами устанавливаются также дополнительные полюсы, которые меньше главных по своим размерам. Сердечники дополнительных полюсов обычно изготавливаются из конструкционной стали.

Как главные, так и дополнительные полюсы крепятся к ярму с помощью болтов. Ярмо в современных машинах обычно выполняется из стали (из стальных труб в машинах малой мощности, из стального листового проката, а также из стального литья). Чугун вследствие относительно малой магнитной проницаемости не применяется.

В МПТ массивное ярмо является одновременно также станиной, т.е. той частью, к которой крепятся другие неподвижные части машины и с помощью которой машина обычно крепится к фундаменту или другому основанию.

Сердечник якоря набирается из выштампованных дисков (рис. 10) электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Диски насаживаются либо непосредственно на вал (при см), либо набираются на якорную втулку ( см), которая надевается на вал. Сердечники якоря диаметром 100 см и выше составляются из штампованных сегментов электротехнической стали. Сегменты набираются на корпус якоря, который изготавливается обычно из листового стального проката и с помощью втулки соединяется с валом.

Рис. 10. Диск (а) и сегмент (б) стали якоря МПТ

В сердечнике якоря в зависимости от выбранной системы венти­ляции могут быть а к с и а л ь н ы е или р а д и а л ь н ы е к а н а л ы. Аксиаль­ные каналы образуются выштампованными в дисках сердечника отверстиями. Радиальные каналы создаются с помощью дистан­ционных распорок или ветрениц, посредством которых сердечник якоря подразделяется на отдельные пакеты 1 шириной 40-70 мм и каналы 2 между ними шириной около 5-10 мм (рис. 11).

В пазы на внешней поверхности якоря укладываются катушки обмотки якоря. Выступающие с каждой стороны из сер­дечника якоря (рис. 11) лобовые части обмотки 3 имеют вид ци­линдрического кольца и своими внутренними поверхностями опи­раются на обмоткодержатели 5, а по внешней поверхности крепятся проволочными бандажами 7. Обмотка соединяется с коллектором 4.

Рис. 11. Сердечник якоря с обмоткой МПТ

Величина воздушного зазора между полюсами и якорем в малых машинах менее 1 мм, а в крупных – до 1 см.

Устройство коллектора машины небольшой мощности показано на рис. 12. Он состоит из медных пластин 1 толщиной 3-15 мм, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками толщиной около 1 мм. Пластины имеют трапецеидальное сечение и вместе с прокладками составляют кольцо, которое скрепляется с помощью нажимных фланцев 4, стянутых стяжными болтами 7. От нажимных фланцев пластины коллектора изолируются миканитовыми коллекторными манжетами 2. Собранный коллектор крепится на валу 6 с помощью шпонки 5. К каждой пластине коллектора присоединяются соединительные проводники – «петушки» 3 – от обмотки якоря.

Рис. 12. Устройство коллектора МПТ

Для отвода тока от вращающегося коллектора и подвода к нему тока применяется щ е т о ч н ы й а п п а р а т, который состоит из щеток, щеткодержателей, щеточных пальцев, щеточной траверсы и токособирающих шин.

Щеткодержатели укрепляются на щеточных пальцах. На каждом щеточном пальце обычно помещают несколько или целый ряд щеткодержателей со щетками, которые работают параллельно. Щеточные пальцы, число которых обычно равно числу главных полюсов, крепятся в щеточной траверсе и электрически изолируются от нее. Траверса крепится к неподвижной части машины: в машинах малой и средней мощности – к втулке подшипникового щита, а в крупных машинах – к станине. Обычно предусматривается возможность поворота траверсы для установки щеток в правильное положение. Полярности щеточных пальцев чередуются, и все пальцы одной полярности соединяются между собой сборными шинами. Шины с помощью отводов соединяются с выводными зажимами или с другими обмотками машины.

Коллектор и щеточный аппарат являются весьма ответственными узлами машины, от конструкции и качества изготовления которых в большой степени зависит бесперебойная работа машины и надежность электрического контакта между коллектором и щетками.

Рассмотрим работу машины в р е ж и м е г е н е р а т о р а [1] (рис. 13 (а)). Предположим, что якорь машины приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется электродвижущая сила (ЭДС), направление которой может быть определено по правилу правой руки. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта ЭДС индуктируется только вследствие вращения якоря и называется ЭДС в р а щ е н и я. Величина индуктируемой в проводнике обмотки якоря ЭДС вычисляется по формуле:

, В, (1)

где: – величина магнитной индукции в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника, Тл;

– активная длина проводника, т.е. та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле, м;

Рис. 13. Работа простейшей МПТ в режиме генератора (а) и двигателя (б)

В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые ЭДС, которые по контуру витка складываются, и поэтому полная ЭДС якоря рассматриваемой машины равна:

, В. (2)

Эта ЭДС является переменной, т.к. проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направления ЭДС в проводниках меняется. По форме кривая ЭДС проводника в зависимости от времени повторяет кривую распределения индукции вдоль воздушного зазора.

Частота ЭДС в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря:

, об/мин. (3)

В общем случае, когда машина имеет пар полюсов с чередующейся полярностью, то частота ЭДС вычисляется по формуле:

, об/мин. (4)

Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток . В обмотке якоря этот ток будет переменным. Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора на 90^º С и изменении направления ЭДС в проводниках одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней щеткой – пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи остаются неизменными.

Таким образом, в генераторе коллектор является м е х а н и ч е с к и м в ы п р я м и т е л е м, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.

Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря:

, В. (5)

Проводники обмотки якоря с током находятся в магнитном поле, поэтому на них будут действовать электромагнитные силы, вычисляемые по формуле 6, направление которых определяется по правилу левой руки:

, А. (6)

Эти силы создают механический вращающий момент , который называется э л е к т р о м а г н и т н ы м м о м е н т о м и равен:

, Н·м, (7)

где: – диаметр якоря, м.

Рассматриваемая простейшая машина может работать также д в и г а т е л е м, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника (рис. 13 (б)). При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы и возникает электромагнитный момент . Величины и , как и для генератора, определяются равенствами (6) и (7). При достаточной величине якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент при этом является движущим и действует в направлении вращения.

Чтобы при той же полярности полюсов направления вращения генератора и двигателя были одинаковы, то направление действия , а следовательно, и тока у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором.

В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает в качестве м е х а н и ч е с к о г о и н в е р т о р а тока.

Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется ЭДС , величина которой определяется равенством (2). Направление этой ЭДС в двигателе такое же, как и в генераторе. Таким образом, в двигателе ЭДС якоря направлена против тока и приложенного к зажимам якоря напряжения . Поэтому ЭДС якоря двигателя называется п р о т и в о э л е к т р о д в и ж у щ е й с и л о й.

Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается ЭДС и падением напряжения в обмотке якоря:

, В. (8)

Из изложенного выше следует, что каждая МПТ может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся ЭМ и называется о б р а т и м о с т ь ю.

Для перехода МПТ из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря. Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.

Лабораторная работа № 3

конструкция, принцип и режимы работы

Однофазный трансформатор – статическое устройство, имеющее две обмотки связанные индуктивно на магнитопроводе, предназначенное для преобразования одной величины напряжение и тока в другое в одной фазе.

Конструкция однофазного трансформатора

Любой однофазный трансформатор может работать только в цепях переменного тока. За счёт него полученное электрическое напряжение изменяется в нужную величину. Ток, полученный таким способом, повышается, в результате того, что мощность отдаётся в действительности без потерь. С этого и следует вывод, что основное использование такого прибора – вывести необходимое для решения задачи напряжение, после чего можно применять в определённых целях.

Вникнуть в работу прибора поможет детальный разбор конструкции трансформатора. Состоит он из следующих основных частей:

• Сердечник, состоящий из материалов с ферромагнитными свойствами;
• Две катушки, вторая находится на отдельном каркасе;
• Защитный чехол (имеется не у всех моделей).

Принцип работы

Однофазный трансформатор работает на определённом законе, ввиду которого идущее в витке переменное электромагнитное поле наводит электродвижущую силу в расположенном рядом проводнике. Действие названо законом электромагнитной индукции, которое было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году. В результате обоснования закона учёный создал общую теорию, используемую в работе огромного числа современных электрических приборов.

При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток I₁, который создает в сердечнике (магнитопроводе) переменный магнитный поток. Замыкаясь в сердечнике, этот поток сцепляется с первичной и вторичной обмотками и индуцирует в них ЭДС, пропорциональные числу витков W.

В первичной обмотке ЭДС самоиндукции:
во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции:
При подключение ко вторичной обмотке нагрузке потечет I2 и установиться U2.

Режимы работы

Как и любой другой преобразователь, однофазный трансформатор имеет три режима работы:

1. Режим холостого хода. Из названия понятно, что ток проходить не будет, в виду разомкнутой вторичной цепью устройства. А по первичной обмотке проходит холостой ток, основной элемент которого представлен реактивным током намагничивания. Режим используется в качестве определения КПД трансформатора, либо для вывода потерь в сердечнике.
2. Режим нагрузки. Режим определяется работой трансформатора с подсоединённым источником в первичной цепи, и определённой нагрузкой во вторичном канале устройства. Для вторичной цепи характерен протекающий ток нагрузки (посчитанного из отношения количества витков обмотки и вторичного тока) и ток холостого хода.
3. Режим короткого замыкания. Режим действует в процессе замыкания вторичной цепи из-за разностей значения потенциала. В этом режиме получаемое сопротивление от вторичной обмотки будет одним источником нагрузки. При проведении короткого замыкания можно вычислить убыток на нагрев обмотки в цепи устройства.

Коэффициент трансформации

Трансформаторы бывают повышающие и понижающие, что бы это определить нужно узнать коэффициент трансформации, с его помощью можно узнать какой трансформатор. Если коэффициент меньше 1 то трансформатор повышающий(также это можно определить по значениям если во вторичной обмотке больше чем в первичной то такой повышающий) и наоборот если К>1, то понижающий(если в первичной обмотке меньше витков чем во вторичной).

• U1 и U2 — напряжение в первичной и вторичной обмотки,
• N1 и N2 — количество витков в первичной и вторичной обмотке,
• I1 и I2 — ток в первичной и вторичной обмотки.

Более подробно про расчёт коэффициента трансформации.

Виды магнитопроводов

Классификация однофазных трансформаторов

Силовой трансформатор

Трансформатор используется в преобразовании электроэнергии в сетях и в устройствах, используемых для получения и применения нужной величины электрической энергии. «Силовой» подразумевает его работу с высоким напряжением. Использование силовых трансформаторов вынуждается разными показателями рабочей мощности ЛЭП, сетей в городской полосе, выводящее напряжение для конечных объектов, а также для общей работы электрических устройств и машин. Мощность разнится от нескольких единиц вольт до сотен киловатт.

Автотрансформатор – один из видов преобразователя, где первичная и вторичная обмотки не разделены, а соединены друг с другом напрямую. Ввиду этого между ними образуется как электромагнитная, так и электрическая связь. Обмотка сопровождается как минимум тремя выводами, подсоединяясь к каждой из них, можно использовать разные мощности. Главным достоинством такого трансформатора – это его высокий уровень КПД, так как преобразуется не всё напряжение, а лишь некоторая часть. Разница особенно заметна, когда входная и выходная мощность имеют незначительные отличия.

Трансформатор тока

Такой трансформатора используется в основном для уменьшения тока первичной обмотки до нужного значения, подходящего в применении цепей измерения, защиты, регулирования и сигнализации. Помимо этого используется в гальванической развязке (передача электроэнергии или сигнала связанными электрическими цепями, при этом электрический контакт между ними отсутствует).

Нормируемое значение параметров тока вторичной обмотки – 1 А или 5 А. Первичная обмотка трансформатора подсоединяется ступенчато в цепь с нагрузкой, при этом переменный ток подвергается контролю, ко вторичной обмотке подключаются измерительные устройства.

Вторичной обмотке трансформатора тока необходимо постоянно находиться в режиме около короткого замыкания. Ведь при любом варианте разъединения цепи на неё поступает высокая мощность, способная выбить изоляцию и выхода из строя включённых приборов.

Читать более подробно про трансформатор тока.

Трансформатор напряжения

Такой трансформатор получает энергию от источника напряжения. Используется в основном для изменения высокого напряжения в низкое в различных цепях, в том числе измерительных и релейной защиты и автоматики. Имеет возможность проводить изоляцию цепей защиты и измерения от цепей повышенной мощности.

Читать более подробно про ТН.

Импульсный трансформатор

Применяется для изменения импульсных сигналов с откликом импульса в точности до десятков микросекунд. При этом форма импульса сопровождается лишь незначительным искажением. Главным назначением импульсного трансформатора является передача прямоугольного электрического импульса. Используется для преобразования коротких видеоимпульсов напряжения, зачастую воспроизводящихся с высокой скважностью.

Важный параметр при использовании импульсного трансформатора – это неискажённый вид передачи импульсных систем напряжения. При влиянии на вход устройства мощности, отличающейся друг от друга, важно получить напряжение, в точности совпадающее с той же самой формой, разве что, с другой амплитудой или различающейся полярностью.

Читать более подробно про импульсный трансформатор.

Особенности

Как правило, однофазные трансформаторы используют в электрических сетях и в роли источников питания различных устройствах.

Исходя из того факта, что нагрев провода прямо пропорционален квадрату току, идущего через провод, то при передаче энергии на дальние расстояния выгоднее будет использовать высокие напряжения и небольшие токи. Для исключения повреждений электроприборов и уменьшения объёма изоляции в домашних условиях лучше использовать низкие мощности.

Ввиду этого, для уменьшения затрат на транспортировку электрической энергии в общей электросети в большом количестве применяются силовые трансформаторы: вначале увеличивают напряжение генераторов на электростанциях перед передачей энергии по кабелю, а уже после транспортировки уменьшают напряжение линий электропередач до нужного уровня в повсеместном использовании.

Эксплуатация

При использовании однофазных трансформаторов технике безопасности отводится особое место. Обусловлено это тем, что устройство находится под высоким напряжением, находящимся на первичных обмотках. При подключении и установке трансформатора в электрические схемы важно соблюдать ряд правил, для исключения поломок и нарушений работы прибора:

• Чтобы обмотки не выходили из строя (выгорали), необходимо поставить защиту от короткого замыкания на вторичной цепи;
• Необходимо контролировать температурный режим сердечника и обмоток. Желательно установить систему охлаждения, предусматривающую исключение критического повышения температуры при работе.

В случае различной нагрузки от электросети изменяется и её напряжение. Для стабильной работы устройств, получающих энергию, необходимо, чтобы напряжение не изменялось от установленного уровня выше допустимого диапазона. Ввиду этого допускается использование методов регулирования напряжения в сети.

назначение и зачем нужен, устройство и принцип работы, различные виды

Электромагнитные статические устройства используются для создания и применения магнитного поля. Случаев, зачем нужен трансформатор в электронных, электрических цепях и радиотехнике, существует много. Устройство оснащено индуктивными обмотками, взаимно связанными на магнитопроводе. Сеть способствует возникновению переменного поля, а трансформатор с помощью электромагнитной индукции придает току постоянные значения без изменения частоты.

Определение и назначение

Для питания приборов нужны напряжения различных характеристик. Трансформатор — это конструкция для использования индукционной работы магнитного поля. Ленточные или проволочные катушки, объединенные общим потоком, понижают или увеличивают напряжение. В телевизоре применяется 5 В для работы транзисторов и микросхем, питание кинескопа требует нескольких киловольт при использовании каскадного генератора.

Изолированные обмотки располагаются на сердечнике из спонтанно намагниченного материала с определенным значением напряженности. Старые агрегаты использовали существующую частоту сети, около 60 Гц. В современных схемах питания электроприборов применяют импульсные трансформаторы с высокой частотой. Переменное напряжение выпрямляется и преобразовывается при помощи генератора в величину с заданными параметрами.

Напряжение стабилизируется благодаря управляющей установке с импульсно-широтной модуляцией. Высокочастотные всплески передаются трансформатору, на выходе получают стабильные показатели. Массивность и тяжесть приборов прошлых лет сменяется легкостью и небольшими размерами. Линейные показатели агрегата пропорциональны мощности в отношении 1:4, для уменьшения габаритов устройства увеличивается частота тока.

Массивные приборы используют в схемах электроснабжения, если требуется создать минимальный уровень рассеяния помех с высокой частотой, например при обеспечении качественного звука.

Устройство и принцип работы

Производитель выбирает базовые правила функционирования агрегата, но это не влияет на надежность эксплуатации. Отличаются концепции процессом изготовления. Принцип действия трансформатора основывается на двух положениях:

• изменяющееся движение направленных носителей заряда создает переменное магнитное силовое поле;
• влияние на силовой поток, передаваемый через катушку, продуцирует электродвижущую силу и индукцию.

Устройство состоит из следующих частей:

• магнитный привод;
• катушки или обмотки;
• основа для расположения витков;
• изолирующий материал;
• охладительная система;
• другие элементы крепления, доступа, защиты.

Работа трансформатора осуществляется по виду конструкции и сочетания сердечника и обмоток. В стержневом типе проводник заключен в обмотках, его трудно рассмотреть. Витки спирали видны, просматривается верх и низ сердечника, ось располагается вертикально. Материал, из чего состоит виток, должен хорошо проводить электричество.

В изделиях броневого типа стержень скрывает большую часть оборотов, он ставится горизонтально или отвесно. Тороидальная конструкция трансформаторов предусматривает расположение на магнитопроводе двух независимых обмоток без электрической связи между собой.

Магнитная система

Выполняется из легированной трансформаторной стали, феррита, пермаллоя с сохранением геометрической формы для продуцирования магнитного поля агрегата. Проводник конструируется из пластин, лент, подков, его изготавливают на прессе. Часть, на которой располагается обмотка, называются стержнем. Ярмо — это элемент без витков, выполняющий замыкания цепи.

Принцип действия трансформатора зависит от схемы стоек, которая бывает:

• плоская — оси ярм и сердечников находятся в единой плоскости;
• пространственная — продольные элементы устраиваются в разных поверхностях;
• симметричная — одинаковые по форме, размеру и конструкции проводники расположены ко всем ярмам аналогично другим;
• несимметричная — отдельные стойки отличаются по виду, габаритам и ставятся в разных положениях.

Если предполагается, что через обмотку, которую называют первичной, протекает постоянный ток, то магнитный провод делают разомкнутым. В остальных случаях сердечник закрытый, он служит для замыкания силовых линий.

Обмотки

Делают в виде совокупности витков, устраиваемых на проводниках квадратного сечения. Форма используется для эффективной работы и повышения коэффициента заполнения в окне магнитопровода. Если требуется увеличить сечение сердечника, то его выполняют в виде двух параллельных элементов, чтобы уменьшить возникновение вихревых токов. Каждый такой проводник называется жилой.

Стержень оборачивается бумагой, покрывается эмалевым лаком. Иногда два сердечника, расположенных параллельно, заключают в общую изоляцию, комплект называется кабелем. Обмотки различают по назначению:

• основные — к ним подводится переменный ток, выходит преобразованный электроток;
• регулирующие — в них предусмотрены отводы для трансформации напряжения при невысокой силе тока;
• вспомогательные — служат для снабжения своей сети с мощностью меньше номинального показателя трансформатора и подмагничивания схемы постоянным током.

Способы обкручивания:

• рядовая обмотка — обороты делают в направлении оси по всей длине проводника, последующие витки наматывают плотно, без промежутков;
• винтовое обматывание — многослойная обвивка с просветами между кольцами или заходом на соседние элементы;
• дисковая накрутка — спиральный ряд выполняется последовательно, в круге обвивание производится в радиальном порядке по внутреннему и наружному направлению;
• фольговая спираль ставится из алюминиевого и медного широкого листа, толщина которого колеблется в пределах 0,1-2 мм.

Условные обозначения

Чтобы удобно читалась схема трансформатора, есть специальные знаки. Сердечник вычерчивается толстой линией, цифра 1 показывает первичную обмотку, вторичные витки обозначаются цифрами 2 и 3.

В некоторых схемах линия сердечника аналогична по толщине черте полуокружностей обвивки. Обозначение материала стержня различается:

• магнитопровод из феррита чертят толстой линией;
• стальной сердечник с магнитным зазором рисуют тонкой чертой с разрывом в середине;
• ось из намагниченного диэлектрика обозначают тонким пунктиром;
• медный стержень имеет на схеме вид узкой линии с условным обозначением материала по таблице Менделеева.

Для выделения катушечного вывода применяют жирные точки, обозначение мгновеннодействующей индукции одинаково. Используется для обозначения промежуточных агрегатов в каскадных генераторах для показания противофазности. Ставят точки, если требуется установить полярность при сборке и направление расположения обмоток. Число витков в первичной обмотке определяется условно, как не нормируется и количество полуокружностей, пропорциональность есть, но строго не соблюдается.

Основные характеристики

Холостой режим применяется при разомкнутом вторичном контуре трансформатора, в нем отсутствует напряжение. Ток проходит по первичной обвивке, возникает реактивное намагничивание. При помощи холостой работы определяют КПД, показатель трансформации и потери в сердечнике.

Функционирование под нагрузкой подразумевает подключение источника питания к первичной цепи, где протекает суммарный ток функционирования и холостого хода. Нагрузка подсоединяется к вторичному контуру трансформатора. Этот режим является распространенным.

Фаза короткого замыкания возникает, если сопротивление вторичной спирали составляет единственную нагрузку. В этом режиме определяются потери на нагревание катушки в цепи. Параметры трансформаторов учитываются в системе замещения прибора с помощью установки сопротивления.

Отношением потребляемой и отдаваемой мощности определяется коэффициент полезного действия трансформатора.

Область применения

Бытовые приборы имеют контакт с заземлением посредством нейтрального провода. Одновременное касание потребителем тока фазы и нулевой цепи ведет к замыканию контура и травме. Подключение через разделительный трансформатор позволяет обезопасить человека, т. к. вторичная обмотка не контактирует с землей.

Импульсные агрегаты используются при передаче прямоугольного толчка и трансформации коротких сигналов при нагрузке. На выходе изменяется полярность и амплитуда тока, но остается неизменным напряжение.

Измерительное оборудование постоянного тока является магнитным усилителем. Изменять переменное напряжение помогает направленное движение электронов небольшой мощности. Выпрямитель поставляет постоянную энергию и зависит от значений входного электричества.

Силовые агрегаты широко используются в генераторах тока малой величины, мощности, показатели в дизелях имеют средние значения. Трансформаторы монтируют последовательно с нагрузкой, прибор подключается к источнику первичной обмоткой, вторичный контур выдает преобразованную энергию. Значение выходного тока прямо пропорционально нагрузке. Используется оборудование с 3 магнитными стержнями, если генератор трехфазного тока.

Инвертирующие агрегаты имеют транзисторы одинаковой проводимости и на выходе усиливают только часть сигнала. Для полного преобразования напряжения импульс подается на оба транзистора.

Согласующее оборудование используют для подсоединения к электронным приборам с высоким сопротивлением на входе и выходе нагрузки с низким показателем прохождения электричества. Агрегаты полезны в высокочастотных линиях, где разница величин ведет к потерям энергии.

Типы трансформаторов

От номинального значения тока в первичном и вторичном контуре зависит классификация трансформаторов. В распространенных видах показатель находится в пределах 1-5 А.

Разделительный агрегат не предусматривает связь обеих спиралей. Оборудование обеспечивает гальваническую развязку, т. е. передачу импульса бесконтактным способом. Без нее протекающий между цепями ток ограничивается только сопротивлением, которое не принимается во внимание из-за малого значения.

Согласующий трансформатор обеспечивает согласование различных показателей сопротивления для минимизации искажения формы импульса на выходе. Служит для организации гальванической развязки.

Прежде чем выяснить, какие бывают трансформаторы силового направления, отмечают, что их выпускают для работы с сетями большой мощности. Приборы переменного тока изменяют показатели энергии в приемных установках и работают в местах с большой пропускной способностью и скоростью изменения электроэнергии.

Вращающий трансформатор не следует путать с вращающимся оборудованием — машиной для преобразования угла поворота в напряжение цепи, где эффективность зависит от частоты вращения. Прибор передает электроимпульс на подвижные части техники, например на головку видеомагнитофона. Двойной сердечник с отдельными обмотками, одна из которых поворачивается вокруг другой.

Масляный агрегат использует охлаждение катушек специальным трансформаторным маслом. Имеют магнитопровод замкнутого типа. В отличие от воздушных видов могут взаимодействовать с сетями большой мощности.

Сварочные трансформаторы для оптимизации работы оборудования, понижения напряжения и создания тока высокой частоты. Это происходит из-за изменения индуктивного сопротивления или показателей холостого хода. Ступенчатое регулирование выполняется компоновкой электрообмотки на проводниках.

Трансформаторы — устройство, принцип работы и область применения, основные типы и характеристики

Трансформаторы — это устройства предназначенные для преобразования электроэнергии. Их основная задача — изменение значения переменного напряжения.

Трансформаторы используются как в виде самостоятельных приборов, так и в качестве составных элементов других электротехнических устройств.

Достаточно часто трансформаторы используются при передаче электроэнергии на дальние расстояния. Непосредственно на электрогенерирующих предприятиях они позволяют существенно повысить напряжение, которое вырабатывается источником переменного тока.

Повышая напряжение до 1150 кВт, трансформаторы обеспечивают более экономную передачу электроэнергии: значительно снижаются потери электричества в проводах и появляется возможность уменьшить площадь сечения кабелей, используемых в линиях электропередач.

Принцип работы трансформатора основан на эффекте электромагнитной индукции. Классическая конструкция состоит из металлического магнитопровода и электрически не связанных обмоток выполненных из изолированного провода. Та обмотка, на которую подается электроэнергия, называется первичной. Вторая — подсоединённая к устройствам, потребляющим ток, называется вторичной.

После того как трансформатор подсоединяют к источнику переменного тока в его первичная обмотка формирует переменный магнитный поток. По магнитопроводу он передается на витки вторичной обмотки, индуцируя в них переменную ЭДС (электродвижущую силу). При наличии устройства потребления в цепи вторичной обмотки возникает электрический ток.

Соотношение между входным и выходным напряжением трансформатора прямо пропорционально отношению количества витков соответствующих обмоток.

Эта величина называется коэффициентом трансформации: Ктр=W₁/W₂=U₁/U₂, где:

• W1, W2 — количество витков первичной и вторичной обмоток соответственно;
• U1,U2 — входное и выходное напряжения соответственно.

Обмотки могут быть расположены либо в виде отдельных катушек либо одна поверх другой. У маломощных устройств обмотки выполняются из провода с хлопчатобумажной или эмалевой изоляцией. Микро трансформатор имеет обмотки из алюминиевой фольги толщиной не более 20—30 мкм. В качестве изолирующего материала выступает оксидная пленка, полученная естественным окислением фольги.

ВИДЫ И ТИПЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Трансформаторы — это достаточно широко распространенные устройства, поэтому существует множество их разновидностей. По конструктивному исполнению и назначению они делятся на:

Автотрансформаторы.

Они имеют одну обмотку с несколькими отводами. За счет переключения между этими отводами можно получить разные показатели напряжения. К недостаткам следует отнести отсутствие гальванической развязки между входом и выходом.

Импульсные трансформаторы.

Предназначены для преобразования импульсного сигнала незначительной продолжительности (около десятка микросекунд). При этом форма импульса искажается минимально. Обычно используется в цепях обработки видеосигнала.

Разделительный трансформатор.

Конструкция этого устройства предусматривает полное отсутствие электрической связи между первичной и вторичными обмотками, то есть обеспечивает гальваническую развязку между входными и выходными цепями. Используется для повышения электробезопасности и, как правило, имеет коэффициент трансформации равный единице.

Пик—трансформатор.

Используется для управления полупроводниковыми электрическими устройствами типа тиристоров. Преобразует синусоидальное напряжение переменного тока в пикообразные импульсы.

Стоит выделить способ классификации трансформаторов по способу их охлаждения.

Различают сухие устройства с естественным воздушным охлаждением в открытом, защищенном и герметичном исполнении корпуса и с принудительным воздушным охлаждением.

Устройства с жидкостным охлаждением могут использовать различные типы теплообменной жидкости. Чаще всего это масло, однако встречаются модели где в качестве теплообменного вещества используется вода или жидкий диэлектрик.

Кроме того производят трансформаторы с комбинированным охлаждением жидкостно-воздушным. При этом каждый из способов охлаждения может быть как естественным, так и с принудительной циркуляцией.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

К основным техническим характеристиками трансформаторов можно отнести:

• уровень напряжения: высоковольтный, низковольтный, высоко потенциальный;
• способ преобразования: повышающий, понижающий;
• количество фаз: одно- или трехфазный;
• число обмоток: двух- и многообмоточный;
• форму магнитопровода: стержневой, тороидальный, броневой.

Один из основных параметров — это номинальная мощность устройства, выраженная в вольт-амперах. Точные граничные показатели могут несколько различаться в зависимости от количества фаз и других характеристик. Однако, как правило, маломощными считаются устройства, преобразовывающие до нескольких десятков вольт-ампер.

Приборами средней мощности считаются устройства от нескольких десятков до нескольких сотен, а трансформаторы большой мощности работают с показателями от нескольких сотен до нескольких тысяч вольт-ампер.

Рабочая частота – различают устройства с пониженной частотой (менее стандартной 50 Гц), промышленной частоты – ровно 50 Гц, повышенной промышленной частоты (от 400 до 2000 Гц) и повышенной частоты (до 1000 Гц).

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Трансформаторы получили широкое распространение, как в промышленности, так и в быту. Одной из основных областей их промышленного применения является передача электроэнергии на дальние расстояния и ее перераспределение.

Не менее известны сварочные (электротермические) трансформаторы. Как видно из названия, данный тип устройств применяется в электросварке и для подачи питания на электротермические установки. Также достаточно широкой областью применения трансформаторов является обеспечение электропитания различного оборудования.

В зависимости от назначения трансформаторы делят на:

Силовые.

Являются наиболее распространенным типом промышленного трансформатора. Применяются для повышения и понижения напряжения. Используется в линиях электропередач. По пути от электрогенерирующих мощностей до потребителя электроэнергия может несколько раз проходить через повышающие силовые трансформаторы, в зависимости от удалённости конкретного потребителя.

Перед подачей непосредственно на приборы потребления (станки, бытовые и осветительные приборы) электроэнергия претерпевает обратные преобразования, проходя через силовые понижающие трансформаторы.

Тока.

Выносные измерительные трансформаторы тока используются для обеспечения работоспособности цепей учета электроэнергии защиты энергетических линий и силовых автотрансформаторов. Они имеют различные размеры и эксплуатационные показатели. Могут размещаться в корпусах небольших приборов или являться отдельными, габаритными устройствами.

В зависимости от выполняемых функций различают следующие виды:

• измерительные — подающее ток на приборы измерения и контроля;
• защитные — подключаемые к защитным цепям;
• промежуточные — используется для повторного преобразования.

Напряжения.

Они применяются для преобразования напряжения до нужных величин. Кроме того, такие устройства используются в цепях гальванической развязки и электро- радио- измерениях.

© 2012-2020 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

назначение, конструкция, схема и обслуживание

Тяговым трансформатором называют агрегат, установленный на подвижном составе железнодорожного транспорта, предназначенным для преобразования электрического тока и привода электровоза. Рассмотрим особенности конструкции тягового трансформатора, его разновидности и правила эксплуатации.

Принцип работы

Принцип работы тягового трансформатора не отличается от обычного агрегата. После подачи напряжения на входную катушку, вследствие возникновения магнитного поля и электродвижущей силы, наводится ток на выходном контуре. Разница в характеристиках напряжения достигается различным количеством витков на входной и выходной катушках.

Конструкция

Тяговый трансформатор состоит из следующих основных узлов:

• шихтованного сердечника;
• раздельных входной и двух выходных катушек с разным количеством витков.

Особенности конструктивного устройства и основное отличие тягового трансформатора от обычного состоит в том, что сердечник выполнен из двух горизонтальных ярм и пары вертикально расположенных стержней. Также разница состоит в наличии двух катушек на выходе. Катушка низкого напряжения используется для включения вспомогательного оборудования.

Стержни комплектуются из пакета листового металла, скреплённого шпильками. Крепёжные изделия изолируются с помощью бакелитовых трубок, под гайки устанавливаются шайбы из этого же материала.

Трансформатор при установке опирается на 2 швеллера, прикреплённых ко дну масляного бака. Ёмкость для масла уплотняется эластичными прокладками, обеспечивающими герметичность.

Система охлаждения трансформатора

Охлаждение агрегата достигается благодаря маслу, циркулирующему по системе в принудительном порядке. Система предусматривает наличие шестисекционного охладителя, обеспечивающего охлаждение нагретого масла, прокачиваемого насосом. Охладитель состоит из медных трубок, размещённых с боков бака. Температура масла в охладителе снижается за счёт обдувания воздухом.

Классификация

Производятся следующие разновидности тяговых трансформаторов:

• со стержневым и броневым сердечником – у последних стержни магнитопровода частично охватывают стержни, что повышает надёжность в эксплуатации. Но первые проще и надёжнее по конструкции;
• с регулированием напряжения вторичной или первичной обмотками;
• по расположению катушек – обмотки могут быть концентрированными или дисковыми.

Все тяговые трансформаторы относятся к понижающим.

Принципиальная схема

Обмотки выполняют в виде трех концентрических катушек с каналами в осевом и радиальном направлениях для обеспечения требуемых изоляционных расстояний между витками и циркуляции охлаждающего масла. Ближней к сердечнику располагают обмотку низкого напряжения НН_{. Затем располагают обмотку высокого напряжения ВН (сетевую) и снаружи — регулируемую обмотку низкого напряжения ННр. Обмотка СН состоит из нескольких катушек, размещенных во внешнем блоке катушек каждого стержня.}

Регулируемая обмотка НН_р разделяется на несколько ступеней с равным числом витков и может соединяется последовательно согласно или встречно с обмоткой НН_{. Наибольшее напряжение на обмотке НН получается при согласном включении обмоток НН0 и ННр (соединяются выводы x1-1). По мере выключения секций обмотки ННр напряжение на обмотке НН снижается, а при полном ее выключении напряжение остается только на зажимах al—xl. Дальнейшее снижение напряжения достигают встречным включением обмотки НН и ступеней обмотки ННр. Обычно число витков обмотки НН0 несколько больше, чем у обмотки НН . Поэтому при их встречном включении напряжение на обмотке НН составляет 40—70 В, что соответствует первой ступени регулирования напряжения.}

Режимы работы

Различают следующие режимы работы указанного оборудования, которые не отличаются от обычных трансформаторов:

При перегрузочном или аварийном режиме возрастает риск выхода агрегата из строя. Поэтому необходимо контролировать подачу нагрузки, чтобы исключить опасность аварии.

Коэффициент трансформации тяговых трансформаторов

Коэффициентом трансформации тягового трансформатора называют степень снижения выходного напряжения по отношению к входному. Он рассчитывается по формуле:

К = V1/V2 = N1/N2, в которой:

• К – значение коэффициента трансформации;
• U1 и U2 – величина напряжения соответственно на входе и выходе;
• N1 и N2 – число витков на входной и выходной катушках.

Учитывая, что тяговый трансформатор является понижающим, значение его коэффициента трансформации будет находиться в пределах от 0 до 1, меньше предельной из указанных величин.

Сферы применения

Тяговый трансформатор применяется для приводных транспортных средств следующих видов транспорта:

• железнодорожного;
• метро;
• наземного городского.

Это оборудование преобразовывает электрический ток, подаваемый на электровоз, для привода механизмов машины.

Обслуживание трансформатора

Данное оборудование должно обслуживаться, согласно требованиям, предусмотренным нормативной документацией и заводом-изготовителем.

Уход за трансформаторами возложен на членов локомотивной бригады. Они обязаны:

• контролировать уровень и температуру масла;
• проверять характеристики работы агрегата, состояние уплотнений, не допуская утечек масла;
• переключать оборудование на зимний и летний режимы работы;
• выполнять доливку масла;
• осуществлять другие функции, обеспечивающие безаварийную работу оборудования.

Ремонт должен производиться в рамках, предусмотренных системой ТОиР, с привлечением квалифицированного и аттестованного персонала. Периодичность проведения ремонтов определяется отработанными агрегатом моточасами.

Без указанного оборудования невозможна работа подвижного состава железнодорожного и внутригородского электротранспорта. Но для нормальной эксплуатации агрегатов, должен быть организован надлежащий уход, техническое обслуживание, проведение текущих и капитальных ремонтов в рамках, установленных рекомендациями изготовителя и требованиям государственных нормативных документов.

Силовые трансформаторы. Виды и устройство. Работа и применение

Трансформатором называется электрическое устройство, которое передает электроэнергию от одного контура на другой с помощью магнитной индукции. Трансформаторы стали наиболее применяемыми электрическими устройствами, применяющимися в быту и промышленности. Эти устройства используются для повышения или понижения напряжения, а также в схемах блоков питания для преобразования входящего переменного тока в постоянный ток на выходе.

Способность трансформаторов передавать электроэнергию применяется для передачи мощности между разными схемами несогласованных электрических цепей. Рассмотрим различные виды и типы силовых трансформаторов, их установку и технические свойства.

Устройство трансформатора

Конструкции трансформаторов имеют различное строение. В зависимости от этого ведется расчет номинального напряжения, либо между фазой и землей, либо между двумя фазами.

1 — Первичная обмотка 2 — Вторичная обмотка 3 — Сердечник магнитопровода 4 — Ярмо магнитопровода

Конструкция обычного стандартного трансформатора состоит из двух обмоток с общим ярмом, для создания электромагнитной связи между обмотками. Сердечник изготавливают из электротехнической стали. Катушка, на которую входит электрический ток, является первичной обмоткой. Катушка на выходе называется вторичной.

Существует такой вид трансформаторов, как тороидальный. У такого трансформатора катушки индуктивности являются пассивными компонентами, состоящими из магнитного сердечника в виде кольца. Сердечник имеет повышенную магнитную проницаемость, изготовлен из феррита. Вокруг кольца намотана катушка. Тороидальные фильтры и катушки применяются для трансформаторов высокой частоты. Они используются для испытаний мощности.

Переменный ток поступает на первичную обмотку трансформатора, образуется электромагнитное поле, которое развивается в магнитном потоке сердечника. По принципу электромагнитной индукции во вторичной обмотке образуется переменная ЭДС, которая образует напряжение на клеммах выхода трансформатора.

Силовые трансформаторы, имеющие две обмотки, не рассчитаны на постоянный ток. Однако, в момент подключения их к постоянному току, они образуют короткий импульс напряжения на выходе.

Конструкция силового трансформатора подобна обычному бытовому трансформатору.

Виды

Существует множество факторов, по которым можно классифицировать силовые трансформаторы. При общем рассмотрении этих устройств, можно сказать, что они преобразуют электрическую энергию одного размера напряжения в электроэнергию с большим или меньшим размером напряжения.

В зависимости от различных факторов силовые трансформаторы делятся на виды:

• По выполняемой задаче. Понижающие трансформаторы. Применяются для получения низкого напряжения из высоковольтных линий питания. Повышающие, используются для увеличения значения напряжения.
• По числу фаз. Трансформаторы 3-фазные, 1-фазные. Широко применяются в трехфазной сети питания. Оптимальным вариантом будет в трехфазной сети установить три однофазных трансформатора на каждую отдельную фазу.
• По количеству обмоток. Двухобмоточные и трехобмоточные.
• По месту монтажа. Наружные и внутренние.

Существует много других разных факторов, по которым можно разделять силовые трансформаторы. Например, по способу охлаждения или соединения обмоток, и т.д. При установке оборудования важную роль играют условия климата, что также разделяет трансформаторы на классы.

Трансформаторное оборудование бывает универсальным, и специального назначения мощностью до 4000 кВт напряжением 35000 вольт. Конкретную модель выбирают по возлагаемой на трансформатор задаче.

Принцип действия

Трансформатором называется электромагнитное статическое устройство, у которых имеется 2 или больше обмоток, связанных индуктивно. Они предназначены для изменения одного переменного тока в другой. Вторичный ток может различаться любыми свойствами: значением напряжения, количеством фаз, формой графика тока, частотой. Широкое использование в электроустановках, а также в распределительных системах получили силовые трансформаторы.

С помощью таких устройств преобразуют размер напряжения и тока. При этом количество фаз, форма графика тока, частота не изменяются. Элементарный силовой трансформатор имеет магнитопровод из ферромагнитного материала, две обмотки на стержнях. Первая обмотка подключена к линии питания переменного тока. Ее называют первичной. Ко второй обмотке подсоединена нагрузка потребителя. Ее назвали вторичной. Магнитопровод вместе с катушками обмоток располагается в баке, наполненном трансформаторным маслом.

Принцип работы заключается в электромагнитной индукции. При включении питания на первичную обмотку в виде переменного тока в магнитопроводе образуется переменный магнитный поток. Он замыкается на магнитопроводе и образует сцепление с двумя обмотками, в результате чего в обмотках индуцируется ЭДС. Если к вторичной обмотке подключить какую-либо нагрузку, то под действием ЭДС в цепи этой обмотки образуется ток и напряжение.

В повышающих силовых трансформаторах напряжение на вторичной обмотке всегда выше, чем напряжение в первичной обмотке. В понижающих трансформаторах напряжения первичной и вторичной обмоток распределяются в обратном порядке, то есть, на первичной напряжение выше, а на вторичной ниже. ЭДС обеих обмоток отличаются по количеству обмоток.

Поэтому, используя обмотки с необходимым соотношением количества витков, можно получить конструкцию трансформатора для получения любого напряжения. Силовые трансформаторы имеют свойство обратимости. Это значит, что трансформатор можно применить как повышающий прибор, или понижающий. Но, чаще всего, трансформатор предназначен для определенной задачи, то есть, либо он должен повышать напряжение, либо снижать.

Сфера использования

Энергетика в современное время не обходится без устройств, преобразующих электроэнергию в сетях и магистралях, а также принимающих и распределяющих ее. Когда появились силовые трансформаторы, то произошло снижение расхода использования цветных металлов, а также уменьшились потери энергии.

Для эффективной работы оборудования нужно рассчитать потери в силовом трансформаторе. Для этого необходимо обратиться к специалистам. Мощные трансформаторы нашли применение на линиях высокого напряжения и станциях распределения энергии. Без них не обходится ни одна отрасль промышленности, где необходимо преобразование энергии.

Вот некоторые области применения силовых трансформаторов:

• В сварочном оборудовании.
• Для электротермических устройств.
• В схемах электроизмерительных устройств и приборов.

Свойства и расчет трансформатора

Чаще всего основные свойства устройства указаны в инструкции в его комплекте. Для силовых трансформаторов такими основными свойствами являются:

• Номинальное значение напряжения и мощности.
• Наибольший ток обмоток.
• Габаритные размеры.
• Вес устройства.

Мощность трансформатора по номиналу определяется изготовителем, и выражается в кВА (киловольт-амперы). Номинальное значение напряжения указывается первичное, для соответствующей обмотки, и вторичное, на клеммах выхода. Размеры этих значений могут не совпадать на 5% в ту или иную сторону. Чтобы ее вычислить, нужно сделать простой расчет.

Номинальный ток и мощность устройства должны удовлетворять стандартам. На сегодняшний день производятся модели сухих трансформаторов, которые имеют такие данные мощности от 160 до 630 кВА. Обычно мощность трансформатора обозначена в его паспорте. По ее значению определяют номинальный размер тока. Для расчета применяют формулу:

I = S х √3U, где S и U – это мощность по номиналу, и напряжение.

Для каждой обмотки в формулу входят свои значения величин. Чтобы рассчитать мощность силового трансформатора при работе с потребляющей энергию нагрузкой, необходимо проводить довольно сложные расчеты, которые могут сделать специалисты. Такие расчеты необходимы во избежание негативных моментов, которые могут возникнуть при функционировании трансформатора.

Номинальное напряжение – это линейная величина напряжения холостого хода на обмотках. Они вычисляются, исходя из мощности трансформатора.

Установка и эксплуатация

Многие варианты исполнения силовых трансформаторов имеют большую массу. Поэтому на место монтажа их доставляют на специальных транспортных платформах. Их привозят в собранном готовом к подключению виде.

Силовые трансформаторы устанавливаются на специальном фундаменте, либо в определенном для этого помещении. При массе трансформатора до 2 тонн установка производится на фундамент. Корпус трансформатора в обязательном порядке заземляют.

Перед монтажом трансформатор подвергают лабораторным испытаниям, в ходе которых измеряется коэффициент трансформации, проверяется качество всех соединений, проверяется изоляция повышенным напряжением, производится контроль качества масла.

Перед установкой трансформатор необходимо тщательно осмотреть. Нужно обратить особое внимание на наличие утечек масла, проконтролировать состояние изоляторов, соединений контактов.

После ввода в эксплуатацию нужно периодически производить измерение температуры нагрева специальными стеклянными термометрами. Температура должна быть не более 95 градусов.

Во избежание аварий при эксплуатации силового трансформатора нужно периодически производить замеры нагрузки. Это дает информацию о перекосах фаз, искажающих напряжение питания. Осмотр силового трансформатора производится два раза в год. Периоды осмотра могут изменяться в зависимости от состояния устройства.

Похожие темы:

| Типы и конструктивные формулы трансформаторов

Трансформатор передает электроэнергию из одной цепи в другую без изменения частоты. Он содержит первичную и вторичную обмотки. Первичная обмотка подключается к основному источнику питания, а вторичная — к требуемой цепи. В нашей проектной схеме мы взяли конструкцию однофазного силового трансформатора 50 Гц малой мощности (10 кВА) в соответствии с нашими требованиями в проекте.

Трансформатор в основном бывает трех типов:

1. Тип сердечника
2. Тип оболочки
3. Тороидальный

В сердечнике тип обмотки окружает часть сердечника, тогда как сердечник типа оболочки окружает обмотки.В типе Core есть два основных типа, а именно тип E-I и тип U-T. В этой конструкции трансформатора мы использовали сердечник типа E-I. Мы выбрали сердечник E-I, поскольку обмотка намного проще по сравнению с тороидальной, но эффективность очень высока (95% -96%). Причина в том, что в тороидальных сердечниках потери магнитного потока намного меньше.

Трансформаторы, используемые в проекте:

1. Трансформатор серии: Для обеспечения необходимого повышающего или понижающего напряжения и
2. Управляющий трансформатор: Для измерения выходного напряжения и для источника питания.

Расчетные формулы:

Здесь мы берем ссылку на данные обмотки в таблице эмалированных медных проводов и размеры таблицы штамповки трансформатора для выбора входных и выходных обмоток SWG и сердечника трансформатора для заданных спецификаций.

Процедура проектирования соблюдается при условии, что даны следующие спецификации трансформатора: —

• Вторичное напряжение (Vs)
• Вторичный ток (Is)
• Коэффициент трансформации (n2 / n1)

Из этих данных мы рассчитываем ширину язычка, высоту пакета, тип сердечника, площадь окна следующим образом: —

• Вторичный вольт-ампер (SVA) = вторичное напряжение (Vs) * вторичный ток (Is)
• Первичный вольт-ампер (PVA) = вторичный Вольт-амперы (SVA) / 0.9 (при КПД трансформатора 90%)
• Первичное напряжение (Vp) = вторичное напряжение (Vs) / соотношение витков (n2 / n1)
• Первичный ток (Ip) = первичный вольт-ампер (PVA) / первичное напряжение (Vp)
• Требуемая площадь поперечного сечения жилы определяется по формуле: — Площадь жилы (CA) = 1,15 * sqrt (первичные вольт-амперы (PVA))
• Общая площадь жилы (GCA) = Площадь сердечника (CA) ) * 1.1
• Число витков обмотки определяется соотношением, которое определяется как: — Число витков на вольт (Tpv) = 1 / (4.44 * 10-4 * площадь жилы * частота * плотность потока)

Данные обмотки эмалированного медного провода

(@ 200A / см²)

Размеры штамповки трансформатора (таблица сердечника):

Типовой номер

Ширина языка (см)

Площадь окна (кв.см)

Типовой номер

Ширина язычка (см)

Площадь окна (кв. см)

17

1,27

1,213

9

2,223

7,865

12A

1,588

1,897

9A

2.223

7.865

74

1.748

2.284

11A

1.905

9.072

9.072

1.905

2.723

4A

3.335

10.284

30

2

3

.905

10,891

1,588

3,329

16

3,81

10,891

10,891

3,703

3

3,81

12,704

10

1.588

4,439

4AX

2,383

13,039

15

2,54

4,839

14,117

33

2,8

5,88

75

2.54

15.324

1

1.667

6.555

4

2.54

15.865

2,54

6,555

7

5,08

18,969

11

1.905

7.259

6

3.81

19.356

34

1.588

7.529

39,316

3

3,175

7,562

.

Как спроектировать собственный трансформатор для цепей питания SMPS

Создание эффективной цепи источника питания — не менее сложная задача. Те, кто уже работал со схемами SMPS, легко согласятся, что конструкция обратного трансформатора играет жизненно важную роль в разработке эффективной схемы источника питания. В большинстве случаев эти трансформаторы не доступны в продаже с теми же параметрами, которые подходят для нашей конструкции. Итак, в этом руководстве по проектированию трансформатора мы узнаем, как построить собственный трансформатор в соответствии с требованиями нашей схемы.Обратите внимание, что это руководство охватывает только теорию, используя которую позже в другом руководстве мы построим схему SMPS 5V 2A с трансформатором ручной работы, как показано на изображении выше для практического применения. Если вы совершенно не знакомы с трансформатором, прочтите статью «Основы работы с трансформатором», чтобы лучше понять процесс.

Детали трансформатора ИИП

Конструкция трансформатора SMPS имеет различные части трансформатора , которые непосредственно отвечают за работу трансформатора.Детали , присутствующие в трансформаторе , описаны ниже, мы узнаем важность каждой детали и то, как ее следует выбирать для вашей конструкции трансформатора. Эти части в большинстве случаев действуют и для других типов трансформаторов.

Ядро

SMPS — импульсный блок питания. Свойства трансформатора SMPS сильно зависят от частоты, на которой они работают. Высокая частота переключения открывает возможности для выбора трансформаторов SMPS меньшего размера, чем высокочастотные, в трансформаторах SMPS используются ферритовые сердечники .

Конструкция сердечника трансформатора — самая важная вещь в конструкции трансформатора ИИП. Сердечник имеет другой тип A _L (коэффициент индуктивности сердечника без зазоров) в зависимости от материала сердечника, размера сердечника и типа сердечника. Популярный тип материала сердечника — это N67, N87, N27, N26, PC47, PC95 и т. Д. Кроме того, производитель ферритовых сердечников предоставляет подробные параметры в таблице данных, которые будут полезны при выборе сердечника для вашего трансформатора

Вот, например, даташит популярного ядра EE25.

На изображении выше представлено описание ядра EE25 из материала PC47 от широко известного производителя сердечников TDK. Каждый бит информации будет необходим для конструкции трансформатора. Однако сердечники имеют прямую зависимость от выходной мощности, поэтому для ИИП разной мощности требуются сердечники разной формы и размера.

Вот список ядер в зависимости от мощности. Список основан на конструкции 0-100 Вт. Источник списка взят из документации Power Integration .Эта таблица будет полезна для выбора правильного сердечника для вашей конструкции трансформатора на основе его номинальной мощности.

Здесь термин TIW означает Конструкция провода с тройной изоляцией .Сердечники E являются наиболее популярными и широко используются в трансформаторах SMPS. Однако сердечники E имеют несколько корпусов, таких как EE, EI, EFD, ER и т. Д. Все они выглядят как буква «E», но центральная часть различна для каждого вещества. Распространенные типы ядер E показаны ниже с помощью изображений.

EE Core

EI Core

Ядро ER

Ядро EFD

Шпулька

Бобина — корпус сердечников и обмоток .Катушка имеет эффективную ширину, которая важна для расчета диаметра проволоки и конструкции трансформатора. Мало того, на катушке трансформатора есть пунктирная метка , которая предоставляет информацию о первичных обмотках. Обычно используемая бобина трансформатора EE16 показана ниже

Первичная обмотка

Обмотка трансформатора SMPS будет иметь первичную обмотку и как минимум одну вторичную обмотку, в зависимости от конструкции она может иметь больше вторичной обмотки или вспомогательной обмотки.Первичная обмотка является первой и самой внутренней обмоткой трансформатора. Он напрямую подключен к первичной обмотке ИИП. Обычно количество обмоток на первичной стороне больше, чем на других обмотках трансформатора. Найти первичную обмотку трансформатора несложно; нужно просто проверить точечную сторону трансформатора для первичной обмотки. Обычно он располагается на стороне высокого напряжения полевого транзистора .

На схеме SMPS вы можете заметить высокое напряжение постоянного тока от высоковольтного конденсатора, подключенного к первичной стороне трансформатора, а другой конец подключен к драйверу питания (вывод стока внутреннего МОП-транзистора) или с отдельным стоком высокого напряжения полевого МОП-транзистора. штырь.

Вторичная обмотка

Вторичная обмотка преобразует напряжение, а также ток на первичной стороне до требуемого значения. Обнаружение вторичного выхода немного сложно, поскольку в некоторых схемах SMPS трансформатор обычно имеет несколько вторичных выходов . Однако выходная сторона или сторона низкого напряжения цепи SMPS обычно подключена ко вторичной обмотке. Одна сторона вторичной обмотки — это DC, GND, а другая сторона подключена к выходному диоду.

Как уже говорилось, трансформатор SMPS может иметь несколько выходов. Поэтому трансформатор SMPS может также иметь несколько вторичных обмоток.

Вспомогательные обмотки

Существуют различные типы схем ИИП, в которых схеме драйвера требуется дополнительный источник напряжения для питания микросхемы драйвера . Вспомогательная обмотка используется для подачи этого дополнительного напряжения на схему драйвера. Например, если ваша ИС драйвера работает от 12 В, то трансформатор SMPS будет иметь вспомогательную выходную обмотку, которая может использоваться для питания этой ИС.

Изоляционная лента

Трансформаторы не имеют электрического соединения между разными обмотками. Следовательно, перед намоткой различных обмоток необходимо намотать изоляционные ленты на обмотки для разделения. Типичные барьерные ленты из полиэстера используются с разной шириной для разных типов бобин. Толщина лент должна составлять 1-2 мил для обеспечения изоляции.

Этапы проектирования трансформатора:

Теперь, когда мы знаем основные элементы трансформатора, мы можем выполнить следующие шаги, чтобы спроектировать собственный трансформатор

Шаг 1 : Найдите нужное ядро ​​для желаемого результата.Выберите правильные ядра, перечисленные в предыдущем разделе.

Шаг 2 : Определение первичного и вторичного витков.

Первичный и вторичный витки взаимосвязаны и зависят от других параметров. Расчетная формула трансформатора для расчета первичной и вторичной обмоток:

Где,
N _p — витки первичной обмотки,

N _с — вторичные витки,

Vmin — минимальное входное напряжение,

Vds — напряжение сток-исток Power Mosfet,

Vo — выходное напряжение

Vd — прямое падение напряжения на выходных диодах

И Dmax — это максимальный рабочий цикл.

Таким образом, первичный и вторичный витки соединены между собой и имеют отношение витков . Из приведенных выше расчетов можно установить соотношение и, таким образом, выбрав вторичные витки, можно узнать первичные витки. Хорошей практикой является использование 1 витка на выходного напряжения вторичной обмотки.

Шаг 3: Следующим этапом является определение индуктивности первичной обмотки трансформатора. Это можно рассчитать по следующей формуле:

Где,

P ₀ — выходная мощность,

z — коэффициент распределения потерь,

n — КПД,

f _s — частота переключения,

I _p — пиковый первичный ток,

K _RP — отношение пульсаций тока к пику.

Шаг 4: Следующим этапом является определение эффективной индуктивности желаемого сердечника с зазором.

На изображении выше показано, что такое сердечник с зазором. Зазоры — это метод уменьшения индуктивности первичной обмотки сердечника до желаемого значения. Производители ядер предоставляют сердечник с зазором для желаемого рейтинга A _LG . Если значение недоступно, можно добавить прокладки между сердечниками или отшлифовать его, чтобы получить желаемое значение.

Шаг 5: Следующим шагом является определение диаметра первичного и вторичного проводов. Диаметр первичных проводов в миллиметрах

Где BW _E — эффективная ширина бобины, а N _p — количество витков первичной обмотки.

Диаметр вторичных проводов в миллиметрах —

BW _E — эффективная ширина бобины, N _S — количество вторичных витков, а M — запас с обеих сторон.Провода необходимо преобразовать в стандарт AWG или SWG.

Для вторичного проводника больше 26 AWG недопустимо из-за увеличения скин-эффекта . В этом случае можно построить параллельные провода. При параллельной намотке проводов это означает, что когда для вторичной стороны необходимо намотать более двух проводов, диаметр каждого провода может соответствовать фактическому значению одиночного провода для облегчения намотки через вторичную сторону трансформатора. Вот почему вы можете встретить трансформаторы с двумя проводами на одной катушке.

Это все о разработке трансформатора SMPS. Из-за критической сложности, связанной с проектированием, программное обеспечение для проектирования SMPS, такое как PI Expert для интеграции питания или Viper от ST, предоставляет инструменты и превосходные инструменты для изменения и настройки трансформатора SMPS по мере необходимости. Чтобы получить более практическое представление, вы можете проверить это руководство по проектированию SMPS 5V 2A, где мы использовали PI Expert для создания собственного трансформатора, используя пункты, обсужденные до сих пор.

Надеюсь, вы поняли руководство и получили удовольствие от изучения чего-то нового. Если у вас есть какие-либо вопросы, не стесняйтесь оставлять их в разделе комментариев или размещать их на форумах для более быстрого ответа.

12 шагов для проектирования трансформаторов SMPS: Группа Талема

Разработка магнитных компонентов для SMPS может быть сложной задачей из-за растущих требований к современной электронике. Выполнение этих 12 шагов может помочь инженерам справиться с трудностями и обеспечить успешный проект.

При проектировании магнитных компонентов ИИП необходимы следующие параметры:

• Диапазон входного напряжения
• Выходное напряжение
• Выходная мощность или выходной ток
• Частота переключения
• Рабочий режим
• Максимальный рабочий цикл IC
• Требования безопасности
• Температура окружающей среды
• Требования к размеру

Шаг 1: Core Choice

Сделайте предварительный выбор ядра, исходя из требований к питанию приложения, топологии коммутации и частоты.Ферритовые сердечники — лучший выбор для высокочастотных приложений. Для работы на частотах ниже 500 кГц большинство разработчиков будут использовать материал сердечника с проницаемостью от 2000 до 2500. Проницаемость значительно изменяется с повышением температуры и рабочей плотностью потока. В общем, это не повлияет на работу преобразователя, если сердечник не близок к насыщению, поскольку индуктивность (которая управляет режимом работы) в первую очередь определяется воздушным зазором. Однако повышение температуры и рабочая плотность потока будут влиять на потери в сердечнике, и это необходимо учитывать для обеспечения надежной работы.

Форма сердечника

Форма сердечника и конфигурация окна важны для конструкции высокочастотного трансформатора, чтобы минимизировать потери. Область окна намотки должна быть как можно более широкой, чтобы увеличить ширину намотки и минимизировать количество слоев. Это минимизирует сопротивление обмотки переменного тока.

• Ядра EFD и EPC используются, когда требуется низкий профиль.
• EE и EF являются хорошим выбором и обычно используются как с вертикальными, так и с горизонтальными шпульками (вертикальные шпульки хороши, когда место для установки ограничено).
• Сердечники ETD и EER обычно больше по размеру, но имеют большую площадь обмотки, что делает их особенно хорошими для конструкций с более высокой мощностью и с несколькими выходами.
Ядра
• PQ дороже, но занимают немного меньше места на печатной плате и требуют меньше витков, чем ядра E.
• Для трансформатора с запасом обмотки потребуется больший размер сердечника, чем для трансформатора с тройной изоляцией, чтобы оставить место для полей.

Размер ядра

Есть много переменных, участвующих в оценке подходящего размера ядра.

• Один из способов выбрать подходящий сердечник — это обратиться к руководству по выбору сердечника производителя.
• Произведение площади сердечника ( W, _a A _c ), полученное путем умножения площади поперечного сечения сердечника на площадь окна, доступного для намотки, широко используется для первоначальной оценки размера сердечника для данного приложения.
• Возможности обработки Core Power не масштабируются линейно с продуктом площади или объемом ядра. Трансформатор большего размера должен работать с более низкой удельной мощностью, потому что площадь поверхности, рассеивающая тепло, не увеличивается пропорционально объему, производящему тепло.

В таблице ниже представлен обзор типов сердечников в зависимости от пропускной способности мощности:

W _a A _{c Соотношение} / выходная мощность получается с помощью:

K _f = форм-фактор; для прямоугольной формы K _f = 4
K _u = коэффициент использования окна
J = плотность тока
B _max = рабочая плотность потока
F = частота переключения
P _o = выходная мощность

Шаг 2: значение произведения вольт-времени (В-мкСек)

Определите значение V-T на основе максимально допустимого рабочего цикла и частоты

Шаг 3: Первичные витки

Определите минимальное количество витков первичной обмотки, необходимое для поддержки наихудшего значения V-T .

Примечание: B <0,3T для феррита

Шаг 4: Передаточное число

Расчет отношения витков вторичной / первичной обмоток

Примечание: падение напряжения диода В _d = 0,5-1 В

Шаг 5: Вторичные витки

Выберите точное количество витков первичной и вторичной обмоток, которое будет использоваться, на основании N _p и N _s / N _p .

Шаг 6: Первичная индуктивность

Рассчитайте необходимую первичную индуктивность:

В таблице ниже приведены типичные значения КПД:

Шаг 7: Воздушный зазор

Трансформатор наименьшего размера и самой низкой стоимости достигается за счет полного использования сердечника.В конкретном приложении оптимальное использование сердечника связано с определенной оптимальной длиной зазора сердечника.

Зазор сердечника определяется числом витков первичной обмотки и характеристиками индуктивности. Разработчик должен убедиться, что зазор достаточен для предотвращения насыщения сердечника.